Прочность

План:

1 Допустимые напряжения
2 Оценка прочности при различных видах деформации
3 Прочностные испытания материалов
- 3.1 Образцы для испытаний
- 3.2 Диаграмма растяжения

Введение

Испытание образца на прочность при сжатии.

Прочность - способность материала сопротивляться необратимый ( пластической, вязкой) деформации и разрушению (разделению на части) под действием нагрузок или других факторов (усадка, неравномерное температурное поле и т. д.). Потеря прочности или превышение ее предельного значения приводит к разрушению материала и детали или конструкции из него изготовленной.

Различают прочность собственно материала и конструкционную прочность, а по способу приложения нагрузки: кратковременную, длительную и прочность в условиях циклических нагрузок и усталости.

Показатели прочности: временное сопротивление или предел прочности, граница упругости, предел текучести, граница длительной прочности, предел выносливости.

1. Допустимые напряжения

Наибольшие напряжения в материале детали из условия надежной ее работы следует ограничивать допустимыми значениями. При растяжении и сжатии допустимые напряжения обозначают соответственно $~ [\ Sigma_ {+}]$ и $~ [\ Sigma_ {-}]$ . При смещении - $~ [\ Tau]$ .

Если известны допустимые напряжения и есть формулы, определяющие напряжение через усилия и моменты в сечении, то можно, в принципе, рассчитать на прочность любую деталь.

2. Оценка прочности при различных видах деформации

При растяжении или сжатия стержня находят опасные сечения, в которых напряжения достигают наибольших по модулю значений, и для этих сечений записывают условие прочности в виде:

$~ \ Sigma_ {max} = \ frac {N_ {max}} {F} \ leqslant [\ sigma].$

Для случая сдвига (среза)

$~ \ Tau_ {max} = \ frac {N_ {max}} {F} \ leqslant [\ tau].$

При сгибании

$~ \ Sigma_ {max} = \ frac {M_ {max}} {W_0} \ leqslant [\ sigma].$

При кручении

$~ \ Tau_ {max} = \ frac {T_ {max}} {W_p} \ leqslant [\ tau].$

При поверхностном смятии деталей

$~ \ Sigma_ {3M} = \ frac {N} {A} \ leqslant [\ sigma].$

В этих уравнениях:

$~ \ Sigma_ {max}$ , $~ \ Tau_ {max}$ и $~ \ Sigma_ {3M}$ - Крупнейшие расчетные нормальное, касательное напряжение или напряжение смятия, соответственно;
$~ [\ Sigma]$ и $~ [\ Tau]$ - Допустимые нормальное и касательное напряжение, безопасны с точки зрения прочности детали;
$N_ {max}$ - Наибольшее усилие растяжения, среза или морщины;
$M_ {max}$ - Крупнейший изгибающий момент;
$T_ {max}$ - Наибольший крутящий момент;
- Осевой момент сопротивления сечения;
- Полярный момент сопротивления сечения детали;
А - площадь сечения (поверхности смятия).

Для случая сложного напряженного состояния, когда вектор напряжения в материале произвольно направлен в трехмерных координатах, эквивалентное напряжение и условие наступления предельного состояния определяют руководствуясь теориями прочности.

3. Прочностные испытания материалов

3.1. Образцы для испытаний

Разрывная машина для испытаний образцов на растяжение

Важной характеристикой материала является предел прочности, которую определяют в результате разрушения образцов при статических испытаний на специальных разрывных машинах. Чаще всего испытывают на растяжение, реже на сжатие, изгиб или кручения. В случае растяжения стандартный образец круглого (реже прямоугольного) сечения нагружают двумя одинаковыми и противоположно направленными силами вдоль его оси. Эти силы плавно растут до тех пор, пока образец не разрушится. Чаще используют длинные образцы, в которых отношение длины к поперечному диаметру l / d = 10, реже - короткие, в которых l ₀ / d ₀ = 5, где l ₀ - начальная расчетная длина и d ₀ - начальный диаметр образца; S ₀ - начальная площадь поперечного сечения образца). Перед испытанием вроде наносят отметки, которыми обозначают величину l _0, затем измеряют l ₀ и d _0.

3.2. Диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения металлического образца

На основе испытаний образцов на разрывных машинах строится диаграмма растяжения ( диаграмма деформирования) в координатах напряжение - деформация. Характер диаграммы зависит от свойств испытуемого материала. Типичный такой диаграммы изображен на рисунке. Диаграмма растяжения имеет ряд характерных участков.

С начала погрузки до определенного значения напряжений имеет место прямо пропорциональна зависимость между напряжением и деформацией. На этой стадии растяжения справедливый закон Гука.

Далее эта линейная зависимость теряется и предел называется граница пропорциональности. Итак границей пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука.

При дальнейшем увеличении нагрузки, в материале появляются остаточные деформации, не исчезающие после разгрузки. Наибольшее напряжение, к которому остаточная деформация не оказывается, называется пределом упругости.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появлению горизонтальной площинкы текучести на диаграмме деформирования. Такой процесс деформации называют текучестью материала сопровождается остаточным удлинением, не исчезающей после разгрузки. Итак, пределом текучести (Yield Strength) σ _Т называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающие напряжения.

Начало пластической деформации соответствует наступлению некоторого критического состояния, которое можно обнаружить не только за появлением остаточных деформаций, но и за повышением температуры, изменением электропроводности и магнитных свойств при этом. После стадии текучести материал снова приобретает способность увеличивать сопротивление (Strain Hardening) в некоторой границы. Напряжение, соответствующее максимальному сопротивлению материала называется временное сопротивление или предел прочности (Ultimate Strenght) и обозначается σ _в.

Дальнейшее растяжение образца сопровождается появлением шейки (локализации деформации), его разупрочнения и разрушением (Fracture).

Граница (предел) прочности при сжатии плотных изверженных и метаморфических горных пород составляет около 100 МПа, а для особо прочных пород, например, базальтов, достигает 500 МПа. Прочность осадочных пород существенно зависит от ихнои структуры и пористости и лежит в пределах 5-200 МПа. Теории прочности разрабатывались многими учеными, среди которых были Галилео Галилей, Сен-Венана, Кулон, Максвелл, Мор, Риттингер и др..

См.. также

Литература

Травин В., Травина Н. В. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989. - 384 с.
Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. - Донецк: Донбасс, 2004. - ISBN 966-7804-14-3.

Это незавершенная статья по технологии.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.